專利名稱：一種發(fā)光二極管及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)結(jié)構(gòu)，尤其是一種具有應(yīng)變 補(bǔ)償層的發(fā)光二極管。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(Light Emitting Diode)之所以會(huì)發(fā)光，主要原因是利用半導(dǎo)體在 施加電能后轉(zhuǎn)化為光能的物理特性，當(dāng)半導(dǎo)體的正負(fù)極兩端施加電壓產(chǎn)生電流流經(jīng)半導(dǎo)體 時(shí)，會(huì)促使半導(dǎo)體內(nèi)部的電子與空穴相互結(jié)合，結(jié)合后剩余能量便以光的形式釋放。隨著 半導(dǎo)體工藝技術(shù)發(fā)展，光電相關(guān)產(chǎn)業(yè)順應(yīng)技術(shù)潮流，不斷研究開發(fā)高亮度發(fā)光二極管(High Brightness LED)，不僅是應(yīng)用在照明上的高亮度白光二極管，也包括了高亮度的各色發(fā)光 二極管，甚至在未來發(fā)光二極管將取代現(xiàn)在傳統(tǒng)照明裝置，研發(fā)人員更是積極努力與研發(fā) 超高亮度的發(fā)光二極管(Ultra High Brightness LED)，來適應(yīng)未來整個(gè)廣大照明市場(chǎng)的 需求。發(fā)光二極管背光取代手持裝置原有的冷光(又稱電激發(fā)光ElectroLuminescent ； EL)以及液晶電視使用冷陰極熒光燈管(Cold CathodeFluorescent Lamp ；CCFL)的背光， 是目前光電產(chǎn)業(yè)的趨勢(shì)，由于二極管不僅電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)潔容易，且有較高的外力抗受性，因 此，用發(fā)光二極管背光取代液晶電視原有的冷陰極熒光燈管背光，不僅更環(huán)保而且顯示更 逼真亮麗。用發(fā)光二極管照明取代白光燈、鹵素?zé)舻日彰鳎粌H更光亮省電，使用也更長(zhǎng)效， 且點(diǎn)亮反應(yīng)更快，用于煞車燈時(shí)能減少后車追撞率。所以，發(fā)光二極管從過去只能用在電子裝置的狀態(tài)指示燈，進(jìn)步到成為液晶顯示 的背光，再擴(kuò)展到電子照明及公眾顯示，如車用燈、交通信號(hào)燈、看板信息跑馬燈、大型影視 墻，甚至是投影機(jī)內(nèi)的照明等，其應(yīng)用范圍仍在持續(xù)地延伸。很重要的一點(diǎn)是，發(fā)光二極管 的亮度效率就如同摩爾定律(Moore' s Law) —樣，每24個(gè)月提高一倍，過去認(rèn)為白光二極 管只能用來取代過于耗電的白熾燈、鹵素?zé)?，即發(fā)光效率在10 301m/W內(nèi)的層次，然而在 白光二極管突破601m/W甚至達(dá)1001m/W后，就連熒光燈、高壓氣體放電燈等，也開始感受到 被替換的威脅。請(qǐng)參考圖1A，其為傳統(tǒng)發(fā)光二極管的典型結(jié)構(gòu)，包括了一基板11、一 N型導(dǎo)電的 半導(dǎo)體層12、一活性層13以及一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層14。首先，強(qiáng)化二極管的光轉(zhuǎn)效 率，這也是提高亮度最根源之道，現(xiàn)有發(fā)光二極管的每瓦用電中，僅有15 % 20 %被轉(zhuǎn)化 成光能，其余都被轉(zhuǎn)化成熱能并消散掉(廢熱)，而提高這一轉(zhuǎn)換效率的重點(diǎn)就在P-N結(jié) (P-Njunction)上，P-N結(jié)是發(fā)光二極管主要的發(fā)光發(fā)熱位置，通過P-N結(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改 變可提高轉(zhuǎn)化效率。關(guān)于發(fā)光二極管轉(zhuǎn)化效率的提高，目前多是在P-N結(jié)上形成量子阱 (Quantum Well ；QW)，以此來提高用電能轉(zhuǎn)換成光能的比例，更進(jìn)一步的方法，朝在P-N結(jié) 上長(zhǎng)成更多的量子阱數(shù)來努力，即所謂的多重量子阱(Multiple Quantum Well ；MQW)技術(shù)。如果光轉(zhuǎn)效率難再要求，進(jìn)一步的就必須從出光效率的層面下手，此層面的作法相當(dāng)多，依據(jù)不同的化合材料也有不同，目前HB LED(高亮度)較常使用的兩種化合材料是磷化鋁銦鎵型(AlGaInP)及氮化銦鎵型(InGaN)，前者用來產(chǎn)生高亮度的橘紅、橙、黃、綠光，后者GaN用來產(chǎn)生綠、翠綠、藍(lán)光，以及用氮化銦鎵型產(chǎn)生近紫外線、藍(lán)綠、藍(lán)光。針對(duì)發(fā)光二極管的亮度提高技術(shù)，美國加州州立大學(xué)(The Regents oftheUniversity of California)在美國專利US 7091514提出利用新的半導(dǎo)體工藝方法， 生成出非極性(Non-polar)氮化鎵(GaN)取代傳統(tǒng)極性氮化鎵材料，在非極性氮化鎵底材 上長(zhǎng)成的量子阱(Quantum Well ;QW)，能具有更佳的電能轉(zhuǎn)換成光能效率。該專利主要技 術(shù)在于制作以r-plane藍(lán)寶石基板取代傳統(tǒng)c-plane藍(lán)寶石基板，以制作出非極性氮化鎵 薄膜。理論上，非極性量子阱的特性相較傳統(tǒng)c-plane制作出極性量子阱，具有較佳的 電子空穴復(fù)合率。實(shí)際上，使用r-plane藍(lán)寶石基板成長(zhǎng)出的非極性氮化鎵薄膜，雖能消除 發(fā)光二極管在PN結(jié)上電場(chǎng)效應(yīng)，由于結(jié)晶取向(crystal-orientation)的原因，不僅晶體 底材(template)成長(zhǎng)不易，而最后的氮化鎵結(jié)晶表面也十分不平整，導(dǎo)致降低整體發(fā)光效率。另外，韓國半導(dǎo)體大廠三星電子工業(yè)(SamSimg)，于2008年1月3日在美國所公 開的專利技術(shù)US 20080001138A1，揭露出利用半導(dǎo)體工藝上，在氮化鎵中摻雜入適當(dāng)比 例的鋁(Al)以及銦(In)，制作n-type以氮化鋁銦鎵型(AlInGaN)四元材料為底材的發(fā) 光二極管，以減少活性層與底材因應(yīng)變所產(chǎn)生的極化電場(chǎng)效應(yīng)(polarization-induced electrostatic fields)，促使該發(fā)光二極管能有更高的電子空穴復(fù)合率，以致產(chǎn)生更多的 光能。但是發(fā)光二極管以氮化鋁銦鎵型四元材料為底材存在著高缺陷密度，這將增加載子 被缺陷捕捉的機(jī)率，反倒是使得發(fā)光二極管的活性區(qū)發(fā)光效率減弱。此外，鋁、銦的摻雜控 制技術(shù)具有相當(dāng)?shù)碾y度，影響發(fā)光二極管的亮度頗大。美國著名的照明公司-克里光電(Cree Lighting, Inc)，在美國專利US6515313 中，提出用二極管材料雜質(zhì)摻雜(impurity doping)技術(shù)，將雜質(zhì)摻雜于披覆層(cladding layer)以減低活性區(qū)極化電場(chǎng)效應(yīng)使得發(fā)光二極管發(fā)光效率提高。但是一般氮化鎵(GaN)材料的晶格結(jié)構(gòu)，為一立體六角柱結(jié)構(gòu) (wurtzitehexagonal lattice structure)，其晶格結(jié)構(gòu)與底材因晶格的不匹配而產(chǎn)生應(yīng) 變，并且在P-N結(jié)上因應(yīng)變而產(chǎn)生極化電場(chǎng)，將使得材料內(nèi)部的電子與空穴結(jié)合機(jī)率降低， 影響發(fā)光二極管的發(fā)光亮度。在發(fā)光二極管材料的披覆層摻入IV族的雜質(zhì)，確實(shí)能降低披 覆層與活性區(qū)因晶格不匹配所造成的極化電場(chǎng)效應(yīng)，有助于提高發(fā)光二極管的發(fā)光亮度， 但是IV族雜質(zhì)容易擴(kuò)散進(jìn)入發(fā)光二極管的活性區(qū)(Active region)，反而導(dǎo)致活性區(qū)發(fā)光 特性降低，整體發(fā)光亮度下降，甚至影響發(fā)光二極管電性。除了上述專利所提出發(fā)光二極管的亮度提高方法，美國照明二極管公司 (Lumileds Lighting U.S.，LLC)，在美國專利US 6955933中，說明了利用發(fā)光二極管材料 的分階段式(graded)工藝技術(shù)，將原本在活性區(qū)的量子阱與量子位障(quantum barrier layer)，以分階段式(graded)的方式成長(zhǎng)，目的為因此方式減少活性區(qū)內(nèi)平均銦含量，以 致減少整體活性區(qū)內(nèi)因?yàn)榈熸壟c氮化鎵晶格不匹配所形成的應(yīng)變，進(jìn)而影響電子與空 穴的復(fù)合效率。該專利方法能夠在發(fā)光二極管的活性區(qū)，改變?cè)玖孔于褰Y(jié)構(gòu)，以形成分階段的 (graded)量子阱與量子位障，通過舒緩活性區(qū)極化電場(chǎng)效應(yīng)，也能降低材料本身極化電場(chǎng)效應(yīng)，但是在發(fā)光二極管活性區(qū)使用該分階段的(graded)量子阱與量子位障，對(duì)量子阱而言其發(fā)光波長(zhǎng)穩(wěn)定性不佳，而對(duì)量子位障而言則是容易降低其對(duì)量子阱內(nèi)載子局限功能， 使得發(fā)光效率降低。另外一方面，艾瑞瑪光電公司(Arima Optoelectronics Corporation)在美國專 利US 6614060提出利用發(fā)光二極管的活性區(qū)(Active region)與n-type氮化鎵(GaN)之 間插入一層功能性材料，其所扮演的角色為電子累積層(electron accumulating layer), 以提高發(fā)光二極管的電能轉(zhuǎn)換成光能效率，該種方法確實(shí)讓亮度提高，但其結(jié)果不顯著。因此，本發(fā)明人鑒于上述專利會(huì)遇到的缺點(diǎn)，發(fā)明創(chuàng)作出一種發(fā)光二極管的新組 成結(jié)構(gòu)，其不僅能達(dá)到亮度提高的目的，還能避免上述所涉及的問題。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于所述的背景技術(shù)中遇到的缺點(diǎn)，并符合光電產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)需求，本發(fā)明提供一 種新結(jié)構(gòu)的發(fā)光二極管，用以有效提高發(fā)光二極管光電轉(zhuǎn)換效率與亮度。本發(fā)明的發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)發(fā)光二極管，其包括了一基板以及一化合物 半導(dǎo)體復(fù)合層，其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層位于基板上。另外，該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層還包 含了一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一活性層(active region)以及雙重 應(yīng)變補(bǔ)償層(strain-compensating layer)，特別是該活性層是位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體 層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，并且該雙重應(yīng)變補(bǔ)償層是位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與 該活性層之間。所述的雙重應(yīng)變補(bǔ)償層還包含第一應(yīng)變補(bǔ)償層與第二應(yīng)變補(bǔ)償層，其中第一應(yīng)變 補(bǔ)償層以及第二應(yīng)變補(bǔ)償層，依序位于活性層與N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，其中第一應(yīng)變 補(bǔ)償層是位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層上，而第二應(yīng)變補(bǔ)償層則是位于第一應(yīng)變補(bǔ)償層上， 另外該活性層位于該第二應(yīng)變補(bǔ)償層上。關(guān)于各個(gè)半導(dǎo)體層的能隙大小，第一應(yīng)變補(bǔ)償層 為、該第二應(yīng)變補(bǔ)償層為Egs、該活性層為Ega，其三者能隙大小關(guān)系為Egs > Egf > Ega0 因此，當(dāng)發(fā)光二極管在高電流密度注入下，位于該雙重應(yīng)變補(bǔ)償層的第二應(yīng)變補(bǔ)償層，可以 減少空穴溢流(overflow)的發(fā)生。本發(fā)明的有益效果為該雙重應(yīng)變補(bǔ)償層可減少活性區(qū)中，因應(yīng)變所引起的極化 電場(chǎng)效應(yīng)(polarization-induced electrostatic fields),使電子與空穴的波函數(shù)(wave function)重迭(overlap)部分增加，因而增加電子與空穴的復(fù)合機(jī)率，提高光輸出效率， 故具有應(yīng)變補(bǔ)償層的發(fā)光二極管可減少波長(zhǎng)的飄移(wavelength shift)，以增加發(fā)光波長(zhǎng) 穩(wěn)定性。


圖IA為一傳統(tǒng)發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖IB為本發(fā)明發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)示意圖；圖2A為量子阱未受史塔克效應(yīng)示意圖；圖2B為量子阱受到史塔克效應(yīng)示意圖；圖2C為本發(fā)明與傳統(tǒng)發(fā)光二極管表現(xiàn)差異圖；圖3A為傳統(tǒng)發(fā)光二極管的光譜表現(xiàn)圖3B為傳統(tǒng)發(fā)光二極管的波長(zhǎng)變化圖；圖4A為本發(fā)明的光譜表現(xiàn)圖；
圖4B為本發(fā)明的波長(zhǎng)變化圖；以及圖5為本發(fā)明與傳統(tǒng)發(fā)光二極管光譜表現(xiàn)差異圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下11、100基板12、210N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層13、230活性層14、240P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層200化合物半導(dǎo)體復(fù)合層 220雙重應(yīng)變補(bǔ)償層222第一應(yīng)變補(bǔ)償層224第二應(yīng)變補(bǔ)償層
具體實(shí)施例方式本發(fā)明在此所探討的方向?yàn)橐环N發(fā)光二極管。為了能徹底地了解本發(fā)明，將在下 列描述中提出詳盡的步驟及其組成。顯然地，本發(fā)明的實(shí)施并沒有限定于發(fā)光二極管的技 術(shù)人員所熟知的特殊細(xì)節(jié)。另一方面，眾所周知的組成或步驟并沒有描述于細(xì)節(jié)中，以避免 造成本發(fā)明不必要的限制。本發(fā)明的較佳實(shí)施例會(huì)詳細(xì)描述如下，然而除了這些詳細(xì)描述 之外，本發(fā)明還可以廣泛地實(shí)施在其他的實(shí)施例中，且本發(fā)明的保護(hù)范圍不受實(shí)施例的限 定，其以權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。請(qǐng)參考圖1B，其為本發(fā)明一發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)示意圖，該發(fā)光二極管主要組成包 括了一基板100以及一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層200。其中該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層200位于該 基板100上，且還包含了一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層210、一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層240、一活性層 (active region) 230 與雙重應(yīng)變補(bǔ)償層(strain-compensating layer) 220，其中該雙重應(yīng) 變補(bǔ)償層220還包含一第一應(yīng)變補(bǔ)償層222與一第二應(yīng)變補(bǔ)償層224，該發(fā)光二極管通過 雙重應(yīng)變補(bǔ)償層(strain-compensating layer) 220，作為應(yīng)變補(bǔ)償?shù)墓δ埽詼p少活性區(qū) (active region)中根據(jù)變化所引起的極化電場(chǎng)效應(yīng)，而降低該發(fā)光二極管因極化電場(chǎng)，產(chǎn) 生史塔克效應(yīng)(Quantum Confinement Stark Effect, QCSE)。請(qǐng)參考圖2A與圖2B，圖2A為量子阱(Quantum Well ；QW)上未受到極化電場(chǎng)影響 (F = 0)，能帶與波函數(shù)呈穩(wěn)定狀態(tài)。圖2B為該量子阱受到一極化電場(chǎng)F影響，使整個(gè)能帶 與波函數(shù)傾斜且移動(dòng)。熟知本領(lǐng)域的相關(guān)人士參考圖2C，即可得知本發(fā)明提出的雙重應(yīng)變 補(bǔ)償層220，確實(shí)使得該發(fā)光二極管降低史塔克效應(yīng)。所謂的史塔克效應(yīng)(QuantumConfinement Stark Effect，QCSE)為一名德國科學(xué) 家約翰尼斯·史塔克(Johannes Stark)，在他的物理實(shí)驗(yàn)中獲得的推論。當(dāng)極隧射線粒子 在運(yùn)動(dòng)過程中，不斷與管子中氣體分子碰撞，如果動(dòng)能足夠大，應(yīng)該產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，發(fā)出的 光譜會(huì)因都卜勒效應(yīng)而改變頻率，例如，如果射線是朝著觀察者方向運(yùn)動(dòng)，則觀察到的光譜 線應(yīng)向紫端移動(dòng)，其位移會(huì)隨速度的增大而增大，由此可以確定極隧射線粒子的速度。史塔克果然在含氫的極隧射線管中發(fā)現(xiàn)了這種都卜勒效應(yīng)。隨后他在其它一些化 學(xué)元素的極隧射線中也證明有所述效應(yīng)。史塔克在他的實(shí)驗(yàn)中看來，光譜的發(fā)射是由于價(jià) 電子的躍遷，電場(chǎng)一定會(huì)改變?cè)觾?nèi)部電荷的分布，從而影響發(fā)射頻率。他在極隧射線管子 中的陰極和另一輔助電極之間加上強(qiáng)電場(chǎng)，強(qiáng)度達(dá)到31kV/cm，然后沿平行于或垂直于電場(chǎng) 的方向用光譜儀進(jìn)行觀測(cè)。氫的極隧射線穿過電場(chǎng)，果然觀測(cè)到了加寬，經(jīng)過仔細(xì)調(diào)整，他終于獲得了譜線分裂的證據(jù)，并且證明隨著譜線序號(hào)的增大，分裂的數(shù)目也隨的增多。另一方面史塔克還發(fā)現(xiàn)，沿電力線成直角的方向觀察，所有的分量都是平面偏振 光，外面的兩根較強(qiáng)，其電場(chǎng)向量與管內(nèi)電場(chǎng)平行；中間的幾根較弱，其電場(chǎng)向量與管內(nèi)電 場(chǎng)垂直。由于史塔克的觀測(cè)非常精細(xì)，得出了如下的結(jié)論各分量到中心線的距離是最小 位移的整數(shù)倍，而最小位移對(duì)所有譜線均相同；位移與電場(chǎng)強(qiáng)度直接成正比。史塔克發(fā) 現(xiàn)光譜線的電致分裂對(duì)原子物理學(xué)的發(fā)展有重要意義。人們把這一現(xiàn)象稱為史塔克效應(yīng) (QuantumConfinement Stark Effect，QCSE)，并于 1919 年授予了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。請(qǐng)參考圖3A與圖3B，即可說明出一般發(fā)光二極管的發(fā)光波長(zhǎng)飄移所造成的藍(lán)移 現(xiàn)象。根據(jù)史塔克效應(yīng)(QCSE)，發(fā)光二極管因極化電場(chǎng)影響，使得在活化層產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象， 其發(fā)出的光譜會(huì)因都卜勒效應(yīng)而改變頻率，其改變頻率與電場(chǎng)強(qiáng)度直接成正比，正是所謂 的藍(lán)移(Blue shift)與紅移(Redshift)現(xiàn)象。藍(lán)移現(xiàn)象是一個(gè)移動(dòng)的發(fā)射源在向觀測(cè)者 接近時(shí)，所發(fā)射的光波頻率會(huì)向電磁頻譜的藍(lán)色端移動(dòng)的現(xiàn)象，也就是光波波長(zhǎng)縮短。反 之，光波的譜線朝紅端移動(dòng)了一段距離，即光波波長(zhǎng)變長(zhǎng)、頻率降低，即為紅移現(xiàn)象。就量子力學(xué)而言，發(fā)光二極管的量子阱(Quantum well)，其中的電子濃度增加時(shí)， 由于電子逐漸填滿量子阱的能階，因此使得量子阱中電子的費(fèi)米能階(Fermi level)上升， 而造成其能帶寬度(band gap)將會(huì)增大，電子空穴復(fù)合(recombination)所產(chǎn)生的光子的 能量會(huì)變大，光波波長(zhǎng)變短，形成藍(lán)移(Blue shift)現(xiàn)象。相對(duì)地外加電場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，量子阱 (Quantum well)的導(dǎo)電帶與價(jià)電帶的轉(zhuǎn)移能量因傾斜而變小，其能帶寬度也因此會(huì)減小， 影響電子與空穴復(fù)合的機(jī)率，所產(chǎn)生的光子的能量也會(huì)變小，造成發(fā)光波長(zhǎng)呈現(xiàn)紅移(Red shift)現(xiàn)象。另一方面，由于發(fā)光二極管因?yàn)榱孔于?quantum well)與量子位障(quantum barrier)晶格間不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)變作用，使得在氮化銦鎵(InGaN)量子阱中會(huì)有一 極化電場(chǎng)的形成，該壓電極化(piezoelectricpolarization)會(huì)造成量子阱能帶的傾 斜，能隙受到史塔克效應(yīng)(QCSE)影響會(huì)有紅位移的現(xiàn)象發(fā)生。隨發(fā)光二極管的注入電 流(injection current)的升高，該被注入的載子將在空間中對(duì)極化電場(chǎng)產(chǎn)生有效的屏 蔽(partialscreening)作用，因此，能帶結(jié)構(gòu)所受到的極化電場(chǎng)變小，能帶傾斜也就隨之 變小，本來受到量子局限史塔克效應(yīng)所造成的紅位移偏移量也就變小，使得量子阱信號(hào)的 峰值能量會(huì)有藍(lán)位移的現(xiàn)象發(fā)生。通過圖4A與圖4B，即可看出本發(fā)明提出的發(fā)光二極 管，因其中的雙重應(yīng)變補(bǔ)償層，而減少波長(zhǎng)飄移所造成的藍(lán)移現(xiàn)象，因此降低史塔克效應(yīng) (Quantum Confinement Stark Effect, QCSE)的發(fā)生 ，以增加發(fā)光波長(zhǎng)的穩(wěn)定性。依照發(fā)光二極管的工藝的主要三個(gè)步驟首先為晶圓(Wafer)制作與磊晶成長(zhǎng) (Epitaxy)工藝，緊接著為擴(kuò)散工藝(Diffusion)、金屬蒸鍍(MetalD印osition)與晶粒的 制作，最后為產(chǎn)品的封裝與應(yīng)用，即可完成本發(fā)明的發(fā)光二極管。其中影響發(fā)光二極管發(fā)光 效率最密不可分的，就是磊晶層的組成與設(shè)計(jì)。因此，本發(fā)明的發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)與工藝包 括了，首先提供一外延基板100，然后形成一 N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層210于該基板100之上，緊 接著形成雙重應(yīng)變補(bǔ)償層(strain-compensating layer) 220，其中包含的第一應(yīng)變補(bǔ)償層 222以及第二應(yīng)變補(bǔ)償層224，該第一應(yīng)變補(bǔ)償層222位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層210上， 而該第二應(yīng)變補(bǔ)償層224于該第一應(yīng)變補(bǔ)償層222上，并且形成一活性層230于該雙重應(yīng) 變補(bǔ)償層之上220，最后形成一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層240于該活性層230上。將本發(fā)明的發(fā)光二極管與傳統(tǒng)的發(fā)光二極管，其發(fā)光表現(xiàn)上的差異如圖5所示，即讓熟知本領(lǐng)域的技術(shù) 人員明白，本發(fā)明確實(shí)能提高發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度。關(guān)于本發(fā)明發(fā)光二極管的組成方面，所述的雙重應(yīng)變補(bǔ)償層 (strain-compensating layer) 220，其所包含的第一應(yīng)變補(bǔ)償層222以及第二應(yīng)變補(bǔ)償 層224，所采取的半導(dǎo)體組成依序分別有下列二種，第一種組成為該第一應(yīng)變補(bǔ)償層222為 InxGai_xN，其中0 < χ < 1，而該第二應(yīng)變補(bǔ)償層224為AlyGai_yN，其中0 < y < 1。第二種組 成為該第一應(yīng)變補(bǔ)償層222為AlxInyGai_x_yN，其中χ≤0、y≤0，且x+y ( 1，而該第二應(yīng)變 補(bǔ)償層224為AluInvGai_u_vN，其中u≤0、ν≤0且u+v≤1。關(guān)于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上，其中所述 發(fā)光二極管的基板100可為藍(lán)寶石基板、碳化硅基板、鋁酸鋰基板、鎵酸鋰基板、硅基板、氮 化鎵基板、氧化鋅基板、氧化鋁鋅基板、砷化鎵基板、磷化鎵基板、銻化鎵基板、磷化銦基板、 砷化銦基板或硒化鋅基板。有關(guān)于發(fā)光二極管選用所述哪種材料基板，是依照各種發(fā)光二 極管外延材料的物理特性來決定。由于所述發(fā)光二極管外延材料與該基板100之間的晶格常數(shù)差異過大，往往需要 先在該基板100與該半導(dǎo)體復(fù)合層200之間，形成一緩沖層才可以得到較佳的外延品質(zhì)。在 本實(shí)施例中，使用的外延材料為III-氮化物，特別是使用氮化鎵，而搭配使用的外延基板 是目前商業(yè)上常見的藍(lán)寶石基板或是碳化硅基板。然而，任何熟悉本項(xiàng)技術(shù)的人應(yīng)能理解， 本發(fā)明的外延材料的選擇并不限定于III-氮化物，或甚至是氮化鎵等的材料。任何III-V 半導(dǎo)體化合物或是II-VI半導(dǎo)體化合物都可應(yīng)用在本發(fā)明中。另外，該第一應(yīng)變補(bǔ)償層222與該第二應(yīng)變補(bǔ)償層224，其各自在發(fā)光二極管的厚 度范圍為10人~1000人。而對(duì)于發(fā)光二極管的活性層(active region) 230，在半導(dǎo)體材料 上，為相同性質(zhì)(Homo Junction)的P_N接面結(jié)構(gòu)，雖然只要加上順向偏壓就可以產(chǎn)生發(fā)光 作用，但是因?yàn)殡娮雍涂昭ㄔ诮Y(jié)相遇而結(jié)合的機(jī)率變低，造成結(jié)的少數(shù)載子注入效率太差。 所以，該活性層230結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，出現(xiàn)單異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Single Heterostructure)、雙異質(zhì)結(jié)構(gòu) (DoubleHeterostructure)以及雙側(cè)雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Double-side Double Heterostructure) 等不同設(shè)計(jì)，通過這些不同材質(zhì)的異質(zhì)(Hetro Hunction)結(jié)的結(jié)構(gòu)做成多重量子阱結(jié)構(gòu) (multiple quantum well)，以增加電子和空穴在P_N接面相遇而結(jié)合的機(jī)率。另一方面，在P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層240、一活性層(active region) 230之間，可以 形成一 P型導(dǎo)通的電子阻擋層，這個(gè)步驟可以是非必需的，P型導(dǎo)通的電子阻擋層可包括第 一種III-V族半導(dǎo)體層，以及第二種III-V族半導(dǎo)體層。這兩種III-V族半導(dǎo)體層，因能隙 不同，且具有周期性地重復(fù)沉積在所述主動(dòng)發(fā)光層上，以作為一能障較高的電子阻擋層，用 以阻擋過多電子溢流(overflow)到活性層230以外的半導(dǎo)體層。顯然地，依照上面實(shí)施例中的描述，本發(fā)明可能有許多的修正與差異。因此，需要 在其附加的權(quán)利要求項(xiàng)的范圍內(nèi)加以理解，除了上述詳細(xì)的描述外，本發(fā)明還可以廣泛地 在其他的實(shí)施例中施行。上述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非用以限定本發(fā)明的權(quán)利 要求的范圍；凡其它未脫離本發(fā)明所揭示的精神下所完成的等效改變或修飾，均應(yīng)包含在 本發(fā)明的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種發(fā)光二極管，包含一基板；以及一化合物半導(dǎo)體復(fù)合層，位于該基板上，并且該化合物半導(dǎo)體復(fù)合層包含一N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一活性層、第一應(yīng)變補(bǔ)償層與第二應(yīng)變補(bǔ)償層，其中該活性層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與該P(yáng)型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層之間，該第一應(yīng)變補(bǔ)償層與該第二應(yīng)變補(bǔ)償層位于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與該活性層之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層、該第二應(yīng)變補(bǔ)償 層與該活性層的能隙分別為Egf，Egs，Ega，并且Egs > Egf > Ega0
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層為InxGai_xN，其中 O≤χ≤1，或?yàn)锳lxInyGanyN,其中χ≤O、y≤0，且x+y≤1。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其中所述的第二應(yīng)變補(bǔ)償層為AlyGai_yN，其中 0 ≥y≥ 1，或?yàn)?AluInvGa^N，其中 u ≤0、ν ≤ 0 且 u+v ≤ 1。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的發(fā)光二極管，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層的厚度為 10人 1000人，且第二應(yīng)變補(bǔ)償層的厚度為10人 1000人。
6.一種發(fā)光二極管的制造方法提供一外延基板；形成一N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層于該基板上；形成一第一應(yīng)變補(bǔ)償層于該N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層上；形成一第二應(yīng)變補(bǔ)償層于該第一應(yīng)變補(bǔ)償層上；形成一活性層于該第二應(yīng)變補(bǔ)償層上；以及形成一 P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層于該活性層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層、該第 二應(yīng)變補(bǔ)償層與該活性層的能隙分別為Egf，Egs，Ega，并且Egs > Egf > Ega0
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層為 InxGai_xN，其中 0 彡 χ 彡 1，或?yàn)?AlxInyGanyN,其中 χ 彡 0、y 彡 0，且 x+y 彡 1。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的第二應(yīng)變補(bǔ)償層為 AlyGai_yN，其中 0 ^ y ^ 1，或?yàn)?AluInvGa^N，其中 u 彡 0、v 彡 0 且u+v 彡 1。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管的制造方法，其中所述的第一應(yīng)變補(bǔ)償層的厚 度為10人 1000人，且第二應(yīng)變補(bǔ)償層的厚度為IOA 1000A。
全文摘要
本發(fā)明提供一種發(fā)光二極管及其制造方法，該發(fā)光二極管包含一基板、一N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一P型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層、一活性層(active region)以及雙重應(yīng)變補(bǔ)償層(strain-compensating layer)，其中雙重應(yīng)變補(bǔ)償層位于N型導(dǎo)電的半導(dǎo)體層與活性區(qū)之間，以增加電子與空穴的復(fù)合幾率。
文檔編號(hào)H01L33/00GK101840971SQ20091011959
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月17日
發(fā)明者葉穎超, 吳芃逸, 楊順貴, 林文禹, 涂博閔, 詹世雄, 黃世晟, 黃嘉宏 申請(qǐng)人:先進(jìn)開發(fā)光電股份有限公司